第五章 双极型晶体管开关特性

处于饱和态的晶体管ce间压降称为饱和 压降，其值与饱和深度有关，取决于负 载电阻上承受的电源电压。 饱和时，eb结正偏约0.7V，ce间饱和 压降约0.2-0.3V，因而集电结正偏。这 是进入饱和态的重要标志。
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§5.2 晶体管的开关作用
1. 晶体管的三个状态及开关作用

集电极饱和电流 饱和度 过驱动因子 饱和压降
将t t r时Q 0条件代入式（ 12） 5 t r p ln( Ir I f Ir If I f Ir ) )
9
t f p ln(1
§5.1 p-n结二极管的开关特性
4. 薄基区二极管中的贮存电荷
1. p-n结二极管的两个状态和开关 作用 2. 电荷贮存效应 3. 反向恢复时间的计算 5. 缩短反向恢复时间的措施
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§5.3 晶体管的开关过程和开关时间
1. 电荷控制理论
QB n 将稳态下基区贮存的 定义基极时间常数 B IB 少子电荷与相应的基极电流联系起来。 QB 集电极时间常数 C IC QB 发射极时间常数 E IE
称为电荷控制参数，其相互关系及数值与器件本身参数有关
第五章 二极管和双极型晶体管的 开关特性
1 P-N结 2 直流特性
本章介绍二极管和晶体管的开关作用、开 关过程，并讨论晶体管开关特性与其基本 电学参数之间的关系，从而为设计和应用 开关管提供必要的理论根据。
3 频率特性
4 功率特性 5 开关特性
（6，7结型和绝 缘栅场效应晶体 管）
§5.1 p-n结二极管的开关特性 §5.2 晶体管的开关作用 §5.3 晶体管的开关过程和开关时间 §5.4 开关晶体管的正向压降和饱和
饱和区
直流负载线 Vce Vcc RL I c
线性区 放大区
截止区
14
试分析Vce=0时，Ic=?
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§5.2 晶体管的开关作用
1. 晶体管的三个状态及开关作用
饱和区特点：

过驱动 饱和压降（小） 集电结正偏
由于负载电阻限制，集电极电流达到集 电极饱和电流而不能继续随基极电流增 大。实际的基极电流（驱动电流）超过 与饱和集电极电流相应的数值。
3. 反向恢复时间的计算
采用电荷法进行计算。电荷法的
优点是概念清楚，所得公式简单而便 于应用 。
1. p-n结二极管的两个状态和开关 作用 2. 电荷贮存效应 4. 薄基区二极管中的贮存电荷 5. 缩短反向恢复时间的措施
正向时：
dQ Q If dt p
dQ 0 Q I f p dt
图5-3 关断过程中p+-n结内电流、电压和少子密度的变化
4
§5.1 p-n结二极管的开关特性
2. 电荷贮存效应
1. p-n结二极管的两个状态和开关 作用 3. 反向恢复时间的计算 4. 薄基区二极管中的贮存电荷 5. 缩短反向恢复时间的措施
图5-4 反向恢复过程对开关速度的限制
电荷贮存效应？
5
§5.1 p-n结二极管的开关特性
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§5.3 晶体管的开关过程和开关时间
1. 电荷控制理论
前几章分析晶体管特性时是将晶体管看做“电流控制器件”。对于
稳态及小信号运用情况比较容易用线性微分方程来描述晶体管的特 性。
在作为开关运用时，晶体管的输入信号幅度变化很大，且不是工作
在线性区，而是在截止区与饱和区之间跳变。这时的晶体管表现出 高度的非线性。若再采用前面的分析方法会使问题变得很复杂。
Qt p I f I r e
p
I r p
（5-12）
认为Ir不变： 1线为初始时刻，Q=Iftp 虚线为x=0处切线
2、3、4线平行（斜率、梯度相同）
斜率为Ir/AqDp 阴影区面积=Q(ts)
7
§5.1 p-n结二极管的开关特性
3. 反向恢复时间的计算 解得：
t s p ln[
2
§5.1 p-n结二极管的开关特性
2. 电荷贮存效应
If
V1 V f RL
（5-1）
1. p-n结二极管的两个状态和 开关作用 3. 反向恢复时间的计算 4. 薄基区二极管中的贮存电荷 5. 缩短反向恢复时间的措施
dp dx
x 0

If AqDp
（5-2）
kT I f V ln( 1) q IR
压降
1
8 噪声特性
§5.1 p-n结二极管的开关特性
1. p-n结二极管的两个状态和开关作用
2. 电荷贮存效应 3. 反向恢复时间的计算
正电平输入，二极管导通，开态
负电平输入，二极管截止，关态
4. 薄基区二极管中的贮存电荷
5. 缩短反向恢复时间的措施
图5-1 二极管的开关状态
与理想开关区别：1.正向压降；2.反向漏电流；3.开关时间。
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§5.3 晶体管的开关过程和开关时间
1. 电荷控制理论
物理意义： QB dQb （5-39） ib 基极电流所提供的电荷用于 B dt 补充基区积累电荷的复合损失和 基区电荷的积累，用于 此即电荷控制分析中描写瞬态基极电流与瞬态基区电荷关系的基本方 发射结和 程。由于此方程是由稳态方程外推所得的。因而是一个近似方程，此 集电结势垒电容充电， 近似方程也只有在一定的条件下才可以使用（频率限制）。 补充超量贮存电荷的积累及其 复合损失。 计及结电容等非本征参数，完整的电荷控制方程为
I f AqDn
n ( 0)
W
W2 Q If 2 Dn
dQ 0 Q I f p dt
(平均停留时间) 11
1 Q AqWn(0) 2
§5.1 p-n结二极管的开关特性
5. 缩短反向恢复时间的措施
两个原则： 1.减少贮存电荷量
减小正向电流
1. p-n结二极管的两个状态和开关 作用 2. 电荷贮存效应 3. 反向恢复时间的计算 4. 薄基区二极管中的贮存电荷
I CS
S
VCC RL
I CS Ib
如果在基极交替地施加正、负脉冲(或电平)，使晶体 管交替地处于饱和态和截止态，对于集电极回路而言。则 是交替地处于导通(开)和断开(关)状态，因而可将其作开 关使用。
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§5.2 晶体管的开关作用
2. 晶体管开关与二极管开关比较
相似之处：
(1)正向时(导通时)管子本身有压降。 (2)反向时(截止时)存在漏电流。 (3)存在开关时间
( I r I f )2 Ir (Ir 2I f )
1. p-n结二极管的两个状态和开关 作用 2. 电荷贮存效应 4. 薄基区二极管中的贮存电荷 5. 缩短反向恢复时间的措施
]
上述计算利用边界少子浓度等于零为标志，实际上 应是非平衡少子浓度。 由上式可见，ts与p、Ir、If有关，分别起复合、抽 取和贮存作用。 实际中可用测ts的方法确定p，是测量少子寿命的 简便方法。
减小少子扩散长度，即缩短少子寿命 减薄轻掺杂区厚度
2.加快贮存电荷的消失过程
缩短少子寿命 增大抽取电流
12
§5.2 晶体管的开关作用
1. 晶体管的三个状态及开关作用
2. 晶体管开关与二极管开关比较 3. 开关运用对晶体管的基本要求 4. 开关过程简介
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§5.2 晶体管的开关作用
1. 晶体管的三个状态及开关作用
根据高斯定理
V s
J n dxdydz ( J n n )ds in （5-28）
电中性要求： 流入基区电子等 于流入基区空穴
Qb Qb i n t n
（5-29） （5-30） （5-31）
ib i p in
Qb Qb ib t n dQb Qb ib dt n
dQb dQTe dQTc dQX QX ib B dt dt dt dt s Qb
（5-40）
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§5.3 晶体管的开关过程和开关时间
2. 延迟过程和延迟时间
延迟过程：当晶体管从关态向开态转化时，输
出端不能立即对输入脉冲作出响应，而产生延 迟过程。定义延迟过程为从正向脉冲输入到集
电极开始有输出电流的过程。
eb结反偏 零偏 正偏（小） 反偏（小）
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cb结反偏
§5.3 晶体管的开关过程和开关时间
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§5.3 晶体管的开关过程和开关时间
2. 延迟过程和延迟时间
在延迟过程中，基极电流IB1 提供的空穴有下列用途： ①给eb结充电； ②给cb结充电； ③在基区建立与0.1Ics相对应的空穴积累以及 ④补充维持这一电荷积累的复合损失。 延迟过程就是基极注入电流 IB1 向发射结势垒电容充 电、集电结势垒电容充电、并在基区内建立起某一稳定 的电荷积累的过程。
（5-31a）
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§5.3 晶体管的开关过程和开关时间
1. 电荷控制理论
dQb Qb ib dt n
（5-31a）
基区中电荷随时间的变化率等于单位时间基极 电流所提供的电荷减去在基区内部的复合损失
QB dQb 0，有 I B 稳态时 （稳态值，角标大写） dt n
稳态时，基极电流等于基区内的少子复合电流
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§5.1 p-n结二极管的开关特性
3. 反向恢复时间的计算
下降时间tf
1. p-n结二极管的两个状态和开关 作用 2. 电荷贮存效应 4. 薄基区二极管中的贮存电荷 5. 缩短反向恢复时间的措施
实际下降过程中，结边缘附近少子浓度梯度逐渐下降， 反向电流不再是常数，问题复杂。 可以近似认为Ir不变，而用（5-12）计算，即认为整个 反向过程为Ir抽取Iftp的时间，所得结果较实际的tf短。
在IC中常将npn管的cb短路， 利 用 eb 结 作 为 二 极 管 ， 因 Wp(Wb)<<Lnb， 故 称 之 为 薄 基 区二极管。 正向工作时，p区电子线性 分布。